Địa chất dầu khí

Khoá Luận Tốt Nghiệp Lê Xuân Tuấn
CHƯƠNG I
KHÁI QUÁT CHUNG
I. Vài nét giới thiệu về khoa học đòa chất:
Thiên nhiên không những chỉ cung cấp cho chúng ta những tài sản vô giá mà
còn góp phần to lớn cho sự tồn tại của chúng ta, thiên nhiên rất gần gũi và
gắn liền với cuộc sống của mỗi con người sống trên trái đất chúng ta. Thiên
nhiên có rất nhiều điều nhiều điều bí ẩn mà chúng ta không thể nào biết hết
được, chính vì vậy mà khám phá và tìm hiểu về thiên nhiên là một điều rất
thú vò, ngày nay, việc nghiên cứu về trái đất là một ngành khoa học mà cụ thể
nhất là ngành Khoa Học Đòa Chất Học.
Ngành Khoa Học Đòa Chất Học chuyên nghiên cứu những diễn biến xảy ra
bên trong lòng đất và cũng như trong hệ mặt trời, riêng về trái đất chúng ta
cũng được thành tạo từ tro bụi vũ trụ khoảng 4,5 tỷ năm trước, cho đến ngày
nay nó luôn biến đổi trong hệ mặt trời và được cung cấp một nguồn năng
lượng lớn để duy trì sự sống trên trái đất. Trái đất luôn vận động thay đổi theo
thời gian, từ hai nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng bản thân làm trái
đất trở thành một hành tinh động, vì vậy chúng ta cần tìm hiểu về hành tinh
của mình, các hoạt động của trái đất bên trong lòng, cũng như ngoài mặt các
hiện tượng như : Động đất, phun trào núi lửa, đứt gãy, sụt lún .v.v…
II. Sự dòch chuyển của d ầ u khí:
Một trong những vấn đề quan trọng của đòa chất dầu khí là vấn đề di chuyển
của hydrocacbon trong vỏ trái đất là quá trình mà thiếu nó thì không thể có
được sự hình thành các tích tụ dầu khí. Sự dòch chuyển của dầu khí trong vỏ
trái đất được chứng minh bởi rất nhiều số liệu nhận được khi khai thác các
tích tụ dầu khí, bởi kết quả thực nghiệm. Các tích tụ dầu khí ngày nay thường
tìm thấy trong đá trầm tích, hạt thô, kích thước tương đối thô và độ thấm tng
đối tốt. Những vật chất hữu cơ ban đầu là tiền thân của dầu khí chỉ có thể bảo
quản trong đá trầm tích hạt mòn. Vò trí sinh ra dầu khí thường không phải vò trí
ngày nay chúng ta tìm thấy những tích tụ dầu khí với qui mô lớn điều đó có
nghóa là có sự dòch chuyển từ nơi sinh tới nơi chứa dầu khí. Quá trình dòch

chuyển của dầu khí được chia thành hai giai đoạn : dòch chuyển nguyên sinh,
dòch chuyển thứ sinh.
Trang 1
Khoá Luận Tốt Nghiệp Lê Xuân Tuấn
Hình 1: Sự dòch chuyển nguyên sinh và thứ sinh.
1. Sự dòch chuyển nguyên sinh:
Là con đường dòch chuyển dầu khí ra khỏi đá mẹ, sự giải phóng các tổ phần
dầu khí ra khỏi Kerogen và vận chuyển chúng bên trong đi qua các khe hẹp
của đá mẹ, dầu khí dòch chuyển từ đá mẹ đến đá chứa, nói cách tổng quát hơn
là sự giải phóng dầu khí ra khỏi đá mẹ. Nhiều thí nghiệm cho rằng các
hydrocacbon bò đẩy ra khỏi đá mẹ trong quá trình nén chặt của đá mẹ và
hydrocacbon tích tụ lại trong các lớp trầm tích xốp và thấm. Một số nhân tố
tham gia vào quá trình này như hiện tượng nén chặt, các tính chất bề mặt của
dầu khí và sự có mặt của chất hòa tan trong nước.v.v…
Hình 2: Dầu khí di chuyển từ đá mẹ vào đá chứa.
Trang 2
Khoá Luận Tốt Nghiệp Lê Xuân Tuấn
2. Sự dòch chuyển thứ sinh:
Sự dòch chuyển dầu khí ra khỏi đá mẹ ra loại đá có độ rỗng và thấm tốt hơn.
Sự dòch chuyển các hợp phần dầu khí trong các lớp đá chứa tích tụ lại ở bẫy
tạo vỉa dầu khí. Nhưng trong quá trình tích tụ có thể bò ảnh hưởng các yếu tố
kiến tạo; uốn nếp, đứt gãy hay nâng lên. Mà có thể xảy ra sự tái bố trí lại các
vỉa dầu khí dẫn tới tạo pha di chuyển mới và sự hình thành tích tụ mới.
Hình 3: Dầu khí di chuyển từ đá chứa vào bẫy chứa.
Trang 3
Khoá Luận Tốt Nghiệp Lê Xuân Tuấn
CHƯƠNG II
DỊCH CHUYỂN THỨ SINH
I. Nguyên nhân dòch chuyển:
1. Lực nổi :

Sự nổi lên của dầu khí trong tầng chứa do sự khác biệt tỷ trọng của chất lưu
chứa đầy trong các lỗ rỗng diễn ra chủ yếu trong khe nứt và lỗ hổng lớn. Các
lớp càng phân dò mạnh bao nhiêu, sự khác nhau về tỷ trọng của Hydrocacbon
và nước càng lớn bao nhiêu thì lục nổi càng lớn bấy nhiêu, lực nổi của dầu
hay khí tỷ lệ với độ nghiêng của vỉa và sự khác biệt tỷ trọng giữa nước và
hydrocacbon.
Lực nổi của dầu: Pc = (γ
n
- γ
dk
)sinα ; với α là góc nghiêng vỉa và γ
n
là tỷ
trọng của nước; γ
dk
là tỷ trọng của dầu khí.
Dầu luôn nằm trong môi trường nước nên nó luôn chòu tác động sức đẩy của
nước, nên các giọt dầu và khí luôn có xu hướng bò đẩy lên phía trên. Để giọt
dầu dòch chuyển được lên trên thì lực đẩy Acsimet phải lớn hơn sức căng bề
mặt của dầu khí. Khi diện tích tiếp xúc giảm, lực ma sát giảm, lực mao dẫn
không đổi nên lực nổi lớn hơn lực cản sẽ làm cho dầu dòch chuyển lên trên.
2. Thuỷ lực:
Trong môi trường tự nhiên, nước lắng đọng đồng thời với vật liệu trầm tích
nên môi trường lỗ rỗng luôn chiếm bởi nước. Áp suất thay đổi nên lượng nước
sẽ dòch chuyển từ nơi này tới nơi khác. Nhân tố thuỷ lực đóng vai trò quan
trọng khi dầu khí di chuyển trong vỏ trái đất ở trạng thái hoà tan trong thành
phần nước dưới đất. Tác dụng nhân tố thủy lực không chỉ đối với sự di chuyển
Hydrocacbon dưới dạng hòa tan bởi các giọt dầu và bóng khí ở trạng thái tự
do cũng bò lôi cuốn theo nước dưới đất. Vậy tình trạng thuỷ động lực tích cực
xuất hiện khi nước dưới đất vận động, không chỉ tạo điều kiện dễ dàng để dầu

khí nổi lên trên môi trường bão hoà nước mà còn đẩy mạnh sự dòch chuyển
của Hydrocacbon ở dạng hoà tan cũng như ở dạng tự do.
3. Lực mao dẫn :
Độâ lỗ rỗng giữa các hạt quyết đònh sự tồn tại của lực mao dẫn, chúng là
nguồn gốc của sự thấm vào các vách nhỏ nhất bởi nước kẽ hở. Nước kẽ
hở”thấm ướt” các đá bằng cách che phủ chúng bằng một màng mỏng, phủ
vách các lỗ hỗng và các ống nhỏ. Một số nghiên cứu nhận thấy rằng lực trọng
trường không đủ khả năng thắng được lực mao dẫn khi kích thước lỗ rỗng nhỏ.
Trang 4
Khoá Luận Tốt Nghiệp Lê Xuân Tuấn
Lực mao dẫn đóng vai trò nhất đònh trong việc di chuyển hydrocacbon, bởi
nước tẩm ướt đất đá tốt hơn dầu nên sức căng bề mặt giữa nước và đá lớn hơn
giữa đá và dầu, điều này giải thích hiện tượng có thể quan sát được nước đẩy
dầu ra khỏi những lỗ hổng tới những lỗ hổng lớn. Lực mao dẫn giảm khi tăng
đường kính lỗ rỗng và biến mất hoàn toàn khi đường kính này lớn hơn 0,5mm.
Bởi vậy trong đá kênh dẫn hạt thô hay đá nứt nẻ chênh lệch tỷ trọng giữa
nước và dầu khí đảm bảo cho sựï dòch chuyển và phân dò của chất lỏng.
4. Lực nén:
Sự tích tụ thường xuyên và liên tục của đá trầm tích nén chặt dần những lớp
nằm dưới làm giảm độ lỗ rỗng của chúng và đẩy chất lưu trong trầm tích hạt
mòn nhất về phía các trầm tích hạt thô hơn.
Ví Dụ: Người ta xác đònh được rằng trong bùn mới lắng đọng chứa 85%-
90% nước, một áp suất tương đương với một tải trọng bằng 300m trầm tích
mới ép ra 50% nước và tải trọng 2000m ép ra 90% nước ban đầu, trong khi
đó sẽ dồn chặt lại 50%. Dầu có thể bò đẩy ra khỏi trầm tích sinh ra nó dưới
tải trọng 800 –1000m trầm tích.
Theo W.Phillip và các cộng tác (1963) cho rằng các dòch chuyển đã bắt đầu
xảy ra dưới một bề dày trầm tích nhỏ hơn 270m độ lỗ rỗng của sét lúc này
trên 35% đã ngưng dưới một tải trọng khoảng 2000m độ rỗng sét khoảng 10%
vượt ra ngoài một trò số nhất đònh của sự nén chặt, có lẽ ở độ sâu khoảng

1800m độ lỗ rỗng và độ thấm không phải là tầng chứa, nhỏ đến nỗi chuyển
động của nước đạt tới một trò số rất nhỏ, không ngoại trừ độ sâu lớn hơn có
một áp suất đủ mạnh, lớn hơn áp suất thuỷ tónh để kéo theo sự phá vỡ thuỷ
lực của đá và do đó kéo theo sự hình thành những đường di chuyển mới. Các
Hydrocacbon dòch chuyển ngay từ lúc bắt đầu nén chặt, cường độ dòch chuyển
thường xảy ra từ tâm về phía rìa bồn ở đó áp suất nén chặt giảm dần cùng với
sự giảm của độ lỗ rỗng do hiện tượng nén chặt.
5. Tác dụng của chất khí hoà tan:
Như chúng ta đã biết một vỉa dầu khí luôn tồn tại một mũ khí, một phần khí
này là khí tự do còn lại khí hoà tan trong dầu. Khí khi nó chòu áp suất nén ép
và nhiệt độ ở dưới sâu thì một phần sẽ bò hoà tan trong dầu. Tuy vậy ở các áp
suất cao đã đạt tới trong tầng chứa tính chòu nén này không thể bỏ qua. Nếu
áp suất vỉa lớn hơn áp suất bọt khi ta rút dầu khí ra thì dầu còn lại trong tầng
chứa có khuynh hướng giảm áp một cách tự nhiên để chiếm giữ vò trí bỏ
trống. Hiện tượng này gọi sự bành trướng đơn pha vì pha khí chỉ xuất hiện
trong đá chứa khi đạt đến áp suất sủi bọt với hiện tượng này thường cộng
thêm một sự giảm nhất đònh thể tích xốp do tầng chứa cho chúng ta thấy thể
tích này tuy nhỏ khó đo nhưng không thể bỏ qua.
Trang 5
Khoá Luận Tốt Nghiệp Lê Xuân Tuấn
6. Khuếch tán:
Sự khuếch tán của hydrocacbon cũng có thể là nguyên nhân dòch chuyển của
chúng trong vỏ trái đất, khuếch tán là sự thâm nhập lẫn nhau của các phần tử
chất này vào chất khác do chênh lệch nồng độ và xu hướng cân bằng nồng độ
này, khuếch tán diễn ra theo đònh luật Fik:
Khối lượng khí {dQ (cm
3
) thâm nhập trong thời gian dt(s) qua mặt cắt
ngang S(m
2

) của bề mặt diễn ra khuếch tán tỷ lệ với Gradient nồng độ
dòch chuyển} /dh.
Công thức:
Với D: hệ số khuếch tán. Mặc dù giá trò hệ số khuếch tán Hydrocacbon
lỏng trong môi trường bão hoà nước không lớn song qua một thời gian đòa
chất khối lượng hydrocacbon khuếch tán có thể rất lớn.
II. Cơ chế dòch chuyển:
1. Dầu khí dòch chuyển cùng với nước:
Trong vỏ trái đất phổ biến rộng rãi nhất là sự dòch chuyển Hydrocacbon ở
trạng thái hoà tan trong nước dưới đất, khi Hydrocacbon hoà tan trong nước độ
hoà tan của pha lỏng giảm đi, đặc biệt là nước mặn độ hoà tan rất nhỏ nhờ
nhiệt độ áp suất cao cũng nhờ trong nước có muối acid hữu cơ độ hoà tan của
dầu trong nước cũng tăng đáng kể, bởi vậy sự dòch chuyển của Hydrocacbon
bằng cách hoà tan trong thành phần của nước trầm tích là hoàn toàn có thể
xảy ra. Hydrocacbon hoà tan trong nước ở độ sâu lớn cùng nước vận động
theo hướng đi lên trên tới nơi có nhiệt độ áp suất thấp hơn sẽ bò tác dụng trạng
thái tự do, những giọt dầu và bóng khí trộn lẫn với nhau thành những giọt lớn
hơn hay thành những dòng nhỏ, chính những dòng này khi di chuyển lên trên
sẽ tạo thành những mỏ dầu khí. Khi nước dưới đất thoát ra qua lớp phủ thấm
yếu sẽ xảy ra quá trình tách Hydrocacbon lỏng ra khỏi dung dòch và tập trung
chúng trong các bẫy nơi có áp lực cựu tiểu. Nước có vai trò lớn trong dòch
chuyển Hydrocacbon không chỉ ở những độ sâu thấp mà còn ở những độ sâu 3
– 4 km và hơn thế nữa, nơi diễn ra sự tách nước (do montmorioilit hoá thành
thuỷ mica) giải phóng ra một lượng nước liên kết, nước này có khả năng hoà
tan Hydrocacbon cao nhất do nó đặc trưng bởi khoáng hoá thấp và có cấu trúc
đặc biệt. Nhiều thuyết dựa trên sự dòch chuyển ban đầu của dầu mỏ cùng với
nước, bao gồm cả thuyết thuỷ lực, sức nổi và sự gắn kết trầm tích.v.v….
Trang 6
Khoá Luận Tốt Nghiệp Lê Xuân Tuấn
Nhiều thí dụ được trích dẫn là một lượng dầu mỏ do nước mang đi bằng

chứng là một lượng nước thoát ra cùng với một lượng dầu khí nhỏ.
Hình 4 :Sự dòch chuyển của dầu khí cùng với nước,
dòng dầu khí dòch chuyển qua những lỗ rỗng.
2. Dầu khí dòch chuyển độc lập với nước :
Trên thực tế là dầu khí sạch có thể được thành tạo trong bể, trong đó nước
chiếm nhiều trong khe hở là 50%, dầu khí có thể dòch chuyển độc lập với
nước. Sở dó dầu mỏ có khả năng như vậy là vì các phân tử đá ướt nước, chúng
được bao bởi những màng nước mỏng và có những vòng nước lỏng bao quanh
đá. Các hạt của bề mặt sẽ tốt hơn cho sự thấm ướt, các vòng nước bao quanh
các hạt đá, cho nên tất cả nước đều ở lại và dầu dòch chuyển xuyên các hạt.
Càng nhiều nước lỗ hổng thì càng không di chuyển cùng với dầu khí. Chính vì
vậy mà cho phép dầu khí di chuyển qua nước lỗ hỗng độc lập của nước, chúng
Trang 7
Khoá Luận Tốt Nghiệp Lê Xuân Tuấn
có thể giải thích bằng các hiện tượng mao dẫn, sức nổi và sự giãn nở của khí.
Những ảnh hưởng ban đầu liên quan đến việc giảm áp suất lực với vùng lân
cận của hướng nổi bọt là sự gia tăng của thể tích, độ nổi và khả năng dòch
chuyển của hỗn hợp khí – dầu tăng lên và kết quả là sự vận chuyển đến vùng
giảm áp lực. Khả năng hòa tan khí trong dầu sẽ làm cho kích thước của các
hạt dầu giãn nỡ ra và phân tán, đến khi các hạt gộp lại thành những mảng nối
tiếp đủ lớn để bắt đầu cho việc vận chuyển với gradient áp lực. Một phần dầu
khí sẽ dòch chuyển một mình khi có sự hiện diện của khí thì quá trình dòch
chuyển sẽ dễ hơn. Dầu và khí dòch chuyển độc lập với sự dòch chuyển của
nước và nếu như trong tầng chứa đang dòch chuyển thì dầu và khí dòch chuyển
chống lại sự dòch chuyển của nước.
• Lực mao dẫn :
Hiện tượng mao dẫn chủ yếu dùng để giải thích sự dòch chuyển của dầu khí
vào trong bể về căn bản là dựa trên sức căng bề mặt của dầu và nước các
không gian trống của một loại đá dược nối liền với nhau bởi các lỗ rỗng nhỏ li
ti mà đường kinh thông thường vào khoảng 1 micron, các khẽ hở nhỏ này hoạt

động như những ống mao dẫn và các chất lưu khác nhau lấp đầy, chúng chòu
tác dụng của các lực mao dẫn: ta biết rằng nếu ta nhúng một ống mao dẫn vào
trong bình đầy nước, ta nhìn thấy nước dâng lên trong ống dẫn này và chiều
cao nước dâng trực tiếp phụ thuộc vào sức căng bề mặt của nước, vào góc tiếp
xúc của mặt khum với thành ống mao dẫn và tỷ lệ nghòch với đường kính của
ống mao dẫn. ( Đã trình bày ở phần dòch chuyển thứ sinh).
• Lực nổi :
Mẫu chất lỏng nổi được là nhờ lực tương đương trọng lượng của chất lỏng bò
chiếm chỗ. Chất lỏng ở đây được đề cập là dầu và khí tự nhiên, với tỷ trọng
khí từ 0,00073 - 0,000933 (nước =1) ; dầu 0,7 – 1,0 và nước từ 1,0 – 1,2, trong
đá chứa có cả ba nên khi di chuyển lên trên đỉnh thì dầu nằm kề dưới và nước
ở đáy, sự phân chia này thường thấy trong các bồn dầu trên thế giới.
Sự vận động đi lên do sức nổi có thể bắt đầu ở nơi có sự tập trung đầy đủ dầu
và khí, nếu một phần giới hạn của đá chứa nhận đầy đủ dầu để cung cấp cho
yêu cầu kế tiếp đủ để hình thành sức nổi. Lực này sẽ vượt qua sức kháng cự
của các khe hở đẩy giọt dầu đi vào những lỗ không gian bảo hòa nước. Con
đường đi của dầu được cho là di chuyển hướng lên và dọc theo các lỗ rỗng lớn
hơn kế tiếp, cuối cùng dầu sẽ dòch chuyển đến vò trí cao nhất của đá chứa.
Chúng đi lên chỗ trũng dọc bề mặt phía trên của đá thấm được và dưới lớp
không thấm, sự nổi lên nhiều hơn được cung cấp bởi con đường dài hơn của
giai đoạn dầu liên tiếp, số lượng của chúng ngày càng lớn do sự dòch chuyển
nên sức nổi càng tăng, tốc độ dòch chuyển càng tăng khi độ dốc tăng và độ
Trang 8